6NG-16 型重力式谷糙分离机的设计与研究

2021-10-04徐兵晁东崔清亮

农业装备与车辆工程 2021年9期

徐兵，晁东，崔清亮

（030801 山西省晋中市山西农业大学农业工程学院）

0 引言

我国的稻谷品种混杂、粒度长短不一，需要对稻谷与糙米进行分离，谷糙分离是大稻米加工过程中最关键的一步，谷糙分离质量的好坏，分离效率的高低，都直接关系影响着大米的质量及企业厂家的收益[1-2]。重力式谷糙分离机根据稻谷和糙米在比重、粒度和摩擦系数等物理特性上的不同，谷糙在双向倾斜的筛板上往复运动产生自动分层，在筛板凸台推动作用下依层分离[3]。卢琦[4]等人设计了一种往复式振动筛，分析了谷物在筛面上的运动特性，利用ADAMS 对振动筛运动特性进行仿真分析，求解出不同状态下谷物在筛面上的运动特征值,为各物振动筛的结构设计及优化提供了一定的理论依据；康少波[5]等人创建多倍体水稻的稻谷和糙米的颗粒模型，利用EDEM 进行谷糙分离仿真研究，为优化多倍体稻谷的谷糙分离工艺参数提供理论支持。英国纽卡斯尔大学对筛分机理进行研究，建立振动分离板上谷糙分离运动的离散元模型，并使用高速摄像机高频拍摄模拟出稻谷与糙米在分离板上的运动轨迹—比糙米粒径大、比重小的水稻向自由表面移动，水稻向分离板的下端移动，糙米向高端移动[6]；泰国拉贾曼加拉理工学院开发一种稻谷分离设备，并针对当地谷物研究不同比例的谷糙混合物及倾斜倾角对分离效果的影响，结果表明，具有较高横向倾角有利于提高分离率和效率，在96 r/min 的速度进行分离时，以5°倾角时获得最高分离效果，每层分离率达到42.83 kg/h[7]。

本研究设计了一种重力式谷糙分离机，对传动参数进行优化分析，为谷糙分离机样机的研制提供了一定的理论参考。

1 结构及原理

如图1 所示，重力式谷糙分离机由上出料装置1、进匀料装置2、筛体3、支撑调节装置4、传动系统5、电动机6、下出料装置7、机架8 等工作部件组成。支撑体通过两侧50，142 mm 的腿架连接在机架上，固定筛体纵向倾斜角度6°，可由旋转螺杆升降支撑体的高度，从而调节筛分箱体振动方向角度。

图1 6NG-16 型重力式谷糙分离机结构图Fig.1 Structure diagram of 6NG-16 gravity roughage separator

工作中，谷糙分离机由电动机驱动，利用带传动实现转速调整，带动偏置180°双偏心轮连杆作平面运动，连杆通过圆柱销与筛体连接进行连接，带动筛体运动，从而实现主轴转动到筛体的往复直线运动的转换。设有凸点并具有倾斜角度的16 层筛板使得谷糙在重力作用下发生自动分层，使比重较大的糙米下沉形成糙米层，而粒度较大但比重较小的稻谷上浮形成稻谷层。糙米在具有长方体锥形凸台的往复推动的作用下向上流出上方出料口，稻谷受重力作用滑至下方出料口，从而达到谷糙分离的效果[8]。

2 偏心轮滑块机构分析与设计

动力经过皮带轮传送到主轴上，带动偏心轮滑块机构运动，将主轴的回转运动转变为筛体的直线往复运动。采用偏心轮可避免曲柄带动的两连杆与主轴发生碰撞干涉的问题。

依据获得最小传动角的最大值设计原则，设计偏心轮滑块机构。通过图解分析法得出各夹角之间的关系，并分析最小传动角的变化规律，得出最小传动角的变化范围，从而获得最大值[9]。

如图2 所示，将偏心轮滑块机构的转动副缩小可简化成曲柄滑块机构。主轴在作回转运动过程中，滑块运动到左极限位置A 处，右极限位置B 处。当曲柄运动到相反偏置方向底部位置时，此时机构的传动夹角γ最小。

图2 偏心轮滑块机构示意图Fig.2 Schematic diagram of eccentric slider mechanism

如图3 所示，设偏心轮的回转距离为a，滑块处于C 位置时的连杆CD 长度为b，则OB 长度为（a+b）。A、B 属于滑块所处的两个极限位置，之间的距离为H。在ΔAOB 中，令∠ABO=α，∠AOB=θ为该机构的极位夹角，回转中心O 到AB 的垂直距离为偏置距e。当曲柄处于OD 位置时，机构传动角γ的值最小。

图3 偏心轮滑块机构分析图Fig.3 Analysis diagram of eccentric slider mechanism

运用正弦定理可得如下关系：

处理后可得：

由以上各式可知机构最小传动角与极位夹角θ、α间的数学关系。令横轴α在0～（90-θ）°变化，极位夹角θ在10°，15°，20°，25°，30°间隔变化，利用软件[10]分析不同极位夹角情况下最小传动角随α夹角的变化曲线，如图4 所示。

由图4 可以看到，最小传动角γ在不同极位夹角情况下随α夹角的关系呈抛物线状变化，随着极位夹角θ的增加，曲线的顶点位置下移；最小传动角最大值逐渐降低，可知在分离机对偏心轮滑块机构没有急回特性要求时，尽量让极位夹角小些，以保证最小传动角获得最大值。由此可以在确定分离机极位夹角后，找到顶点位置的α角，从而获得最小传动角γ的最大值。

图4 不同极位夹角情况下最小传动角与α 角关系曲线Fig.4 Relation curve between minimum transmission angle and α angle under different extreme position angles

当旋转中心与执行部件在同一水平面时，机构不存在极位夹角，而筛体具有一定的倾斜角度与支撑高度，则需要具有一定的偏置距离，此时机构则存在极位夹角[11]。分离筛体在两个行程中均有分离效果，对急回特性没有严格要求，为获得最佳传动角度，初取行程速比系数K=1.1。

由式（9）可得θ=8.57°。

我国大部分重力式谷糙分离机的筛板做往复运动的幅度为50～100 mm 时，会有较好的分离效果，取H=90 mm[12]，并找到K=1.1 时，曲线顶点位置的α角度及最小传动角的最大值。可知，当α=0.197 rad=11.29°时，最小传动角的最大值为58.9°，满足最小传动角大于40°的要求，此时分离机具有最好的传动效果。将α=11.29°，θ=8.57°，H=90mm 代入式（5）—式（8）可得：a=43.47，b=161.71，e=40.17。

3 ADAMS 运动学分析

为获得谷糙分离机构筛体的运动规律，根据优化后的机构参数建立机构的ADAMS 模型，如图5 所示。

图5 谷糙分离机构ADAMS 模型Fig.5 ADAMS model of grain roughage separation mechanism

谷糙分离机偏心轮设计转速为256 r/min。对ADAMS 模型添加旋转驱动，运行仿真模型，得到筛面的加速度随时间变化规律如图6 所示。由图6 可知，偏心轮以256 r/min 匀速转动时，筛面加速度在-4.0×104～2.7×104mm/s2范围内变化，曲线变化平缓且无明显拐点，表明谷糙分离机工作中无剧烈振动现象。